CN113179360B

CN113179360B - 密集方位采样分块式平面光电成像系统

Info

Publication number: CN113179360B
Application number: CN202110453645.0A
Authority: CN
Inventors: 刘春雨; 胡荟灵; 张玉鑫; 冯钦评; 刘帅
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-04-26
Also published as: CN113179360A

Abstract

本发明公开一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，属于干涉成像技术领域，包括若干个沿圆周径向均匀排列的一维干涉臂，其包括从顶层至底层顺次分布的微透镜阵列、光子集成电路子系统、平衡正交探测器阵列和信号处理子系统；每一个一维干涉臂上均设有奇数个采取首尾相接配对方式的微透镜，来自目标场景的光经过透镜对耦合进入光子集成电路子系统，形成干涉条纹，信号处理子系统根据平衡正交探测器阵列检测的互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，对离散空间采样频谱进行重建，对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景图像。本发明能够有效弱化理想图像伪影，提高理想图像成像质量，同时提高实际目标场景图像质量。

Description

密集方位采样分块式平面光电成像系统

技术领域

本发明涉及干涉成像技术领域，特别是涉及一种密集方位采样分块式平面光电成像系统。

背景技术

SPIDER成像技术的研制涉及到微纳制造技术、光子集成回路、空间频率欠采样图像反演等技术。在SPIDER中，传统成像系统的大型光学器件和支撑结构被微透镜阵列和光子集成电路(PIC)构成的密集干涉仪阵列所替代，可以实现大的有效孔径用以高分辨率成像，同时最大限度的减少系统的体积、质量和成本。尽管近几年来做了很多相应的研究，微透镜阵列、基线配对方式和空间频率采样都做了一定的优化，但是由于空间频域采样点的稀疏性和不均匀性，从自相关中寻找目标物体中两点的规则有效性受限，导致重建后的图像模糊。传统的SPIDER系统往往需要通过后期的重建算法来增强图像清晰度和最小化伪影。但若理想图像存在伪影，峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR) 客观评价指标不高，采样后恢复的实际图像优化空间少，噪声严重，图像清晰度不高。这些都将成为发展和优化超轻、超薄、高分辨率SPIDER成像系统关键问题。

发明内容

针对传统SPIDER技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，其有效弱化了理想图像伪影，提高PSNR上限，且根据密集方位采样二维透镜结构设计的空间离散频谱重建方法，对提高分块平面系统成像质量有显著效果，实际图像的PSNR值和均方误差(Mean Square Error，MSE)值与传统SPIDER系统理想成像结果相当。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，包括若干个沿圆周径向均匀排列的一维干涉臂，全部所述一维干涉臂按顺序编号，每一个所述一维干涉臂包括从顶层至底层顺次分布的微透镜阵列、光子集成电路子系统、平衡正交探测器阵列和信号处理子系统；

每一个所述一维干涉臂上均设有2(2n+1)个等间距分布的微透镜位置，编号为偶数的一维干涉臂上只在序号为偶数的微透镜位置上设有微透镜，编号为奇数的一维干涉臂上只在序号为奇数的微透镜位置上设有微透镜，且单个所述一维干涉臂的填充因子为0.5；

采取首尾相接的配对方式对单个所述一维干涉臂上的微透镜进行两两匹配，由于单个所述一维干涉臂上的透镜数为奇数，因此在基线匹配中存在独立透镜，该透镜接收的光直接通过光电二极管检测电流强度，检测到的电流强度对应着光谱的中心零频率幅值，其他微透镜两两匹配形成不同长度的干涉基线；

来自目标场景的光经过各个所述透镜对耦合进入所述光子集成电路子系统，所述平衡正交探测器阵列检测所述光子集成电路子系统形成的干涉条纹的互相干可见度信息，所述互相干可见度信息包括幅值信息和相位信息；

所述信号处理子系统根据所述互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，并对离散空间采样频谱进行重建，得到重建后的空间采样频谱，然后对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出一种密集方位采样分块式平面光电成像系统是一个基于光子集成电路的超薄计算成像系统，采用成像与计算相结合的方式，该系统的透镜阵列径向填充因子为0.5，方位采样光子集成电路的数量为传统的分块式平面光电成像系统的两倍，能够有效弱化理想图像伪影，提高理想图像成像质量；同时，本发明基于密集方位采样透镜阵列得到的离散空间采样频谱，提出一种离散空间采样频谱重建方式，能够减小空间采样点间距，缩短有效采样半径，可以实现在最大频谱范围内，包含零频率在内的所有基频的连续整数倍均匀采样，有效提高实际图像质量。本发明对后期设计分块式平面光电成像系统选择合适的PIC数量，具有一定的参考意义，结构设计与采样相结合的方法对提升系统成像质量具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的密集方位采样分块式平面光电成像系统的结构示意图；

图2(a)为输入靶标；

图2(b)为输入靶标经过传统SPIDER系统后的理想图像；

图2(c)为输入靶标经过本发明的成像系统后的理想图像；

图3(a)为传统SPIDER系统的空间频率覆盖图；

图3(b)为本发明的成像系统的空间频率覆盖图；

图3(c)为本发明重建后的空间频谱覆盖图；

图3(d)为经过图3(a)所示的空间频率采样矩阵采样后，傅里叶逆变换后恢复的实际图像；

图3(e)为经过图3(b)所示的空间频率采样矩阵采样后，傅里叶逆变换后恢复的实际图像；

图3(f)为经过图3(c)所示的空间频率采样矩阵采样后，傅里叶逆变换后恢复的实际图像。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明提供一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，该系统的结构如图1所示。密集方位采样分块式平面光电成像系统主要包括多个一维干涉臂，全部的一维干涉臂沿圆周径向均匀排列，每个干涉臂主要分为三层：顶层为微透镜整列、中间层为光子集成电路子系统和平衡正交探测器阵列、底层为信号处理子系统。传统的SPIDER系统微透镜阵列类似于车轮形状，干涉臂长度相等且为奇数个，单个干涉臂径向微透镜阵列的透镜数量为偶数且填充因子为1。本发明的密集方位采样系统的每一个一维干涉臂上均设有2(2n+1)个等间距分布的微透镜位置，其中n为正整数，为使系统不增加额外功耗，编号为偶数的一维干涉臂上只在序号为偶数的微透镜位置上设有微透镜，同样编号为奇数的一维干涉臂上只在序号为奇数的微透镜位置上设有微透镜，即每一个一维干涉臂上的微透镜的总数N均为奇数，并且每个一维干涉臂的填充因子为0.5，即单个一维干涉臂上任意相邻的两个微透镜中心点之间的距离等于单个微透镜的直径 d的两倍。图1仅以密集方位采样分块式平面光电成像系统包括10个一维干涉臂，且每个一维干涉臂上设有22个微透镜位置为例，示出了本发明的成像系统结构，如图1所示，编号为0、2、4、6、8的一维干涉臂只在序号为2、4…22的微透镜位置上设有微透镜，而编号为1、3、5、7、9的一维干涉臂只在序号为1、2…21的微透镜位置上设有微透镜。此外，采取首尾相接的配对方式对单个一维干涉臂上的微透镜进行两两匹配，由于单个一维干涉臂上的透镜数为奇数，因此每一个一维干涉臂在基线匹配中存在独立透镜a，该透镜接收的光直接通过光电二极管检测电流强度，检测到的电流强度对应着光谱的中心零频率幅值。除独立透镜a外，其他透镜两两匹配形成透镜对，不同透镜对形成不同长度的干涉基线(类似于小型迈克尔逊干涉仪)，来自目标场景的光经多个分离的透镜对耦合进入光子集成电路子系统。仍参照图1，本发明中的光子集成电路子系统包括光波导、阵列波导光栅、相位延迟器和耦合器，来自目标场景的光经过透镜对耦合进各个透镜对各自对应的光波导中，经过光波导传输后依次经过阵列波导光栅、相位延迟器和耦合器后形成干涉条纹。平衡正交探测器阵列用于检测干涉条纹的互相干可见度信息并将互相干可见度信息传递至信号处理子系统，其中互相干可见度信息包括干涉条纹的幅值信息和相位信息。

信号处理子系统根据互相干可见度信息得到离散空间采样频谱，并对离散空间采样频谱进行重建，得到重建后的空间采样频谱，然后对重建后的空间采样频谱进行傅里叶逆变换，得到重建的目标场景图像。

本发明中光子集成电路子系统的数量为传统SPIDER系统的两倍，但是单个一维干涉臂上微透镜的数量为传统同等长度的干涉臂上微透镜数量的一半，成像系统总的微透镜数量不变，基线配对数量不变，不增加额外的功耗。方位采样的增加可以有效提升理想图像成像质量和PSNR上限，弱化图像伪影。但是单个一维干涉臂上径向采样的减少会使采样后的实际图像恶化，加剧图像噪声和伪影。对此，针对密集方位采样二维透镜阵列结构，本发明的信号处理子系统采用一种离散空间采样频谱重建方式，在最长基线不变的情况下，使空间频率采样向中低频率聚集，提升采样后实际图像成像质量。

密集方位采样系统由于PIC径向填充不足，相邻两微透镜间中心距离为2d，径向相邻两空间采样点间的间距为

其中d为单个微透镜的直径，λ为波长， z为物距，通过求解空间频率点相对基频到中心零频率点距离，在系统最长基线不变，分辨率相同的情况下，缩短空间采样点间距，从而减小有效空间采样半径，增加低频信息采样，能够提升恢复图像质量。

若单个一维干涉臂上的微透镜采取首尾相接的配对方式，则序号为偶数的 PIC上的N个微透镜的配对方式为：(1,N),(2,N-1),(3,N-2),(4,N-3)…，有一个独立的透镜和(N-1)/2对基线，独立的透镜不与其他透镜匹配，接收的光直接由光电二极管检测，二极管检测到的电流强度对应着频谱矩阵的中心零频率幅值，其他透镜匹配的基线长度为B_j＝[4,8,12,16,……,2(N-1)]d，可以看出径向空间频率点到采样中心的距离是离散的，则最终的采样频谱为一系列离散的同心圆环。

信号处理子系统根据密集方位采样透镜阵列结构特点采用了一种离散空间采样频谱重建方式，其重建离散空间采样频谱的过程包括以下步骤：

步骤一：对离散空间采样频谱重建

对于单个的一维干涉臂，计算其光子集成电路子系统上的各对微透镜采样的空间频率在频谱矩阵中相对于基频到中心零频率之间距离的采样距离，采样距离的计算公式为：

其中，B_j为光子集成电路子系统上第j个基线的长度，j＝[1,2,…,(N-1)/2]，B_min为光子集成电路子系统上最短的基线的长度，N为单个一维干涉臂上的微透镜的总数。

步骤二：将B_j＝[4,8,12,16,……,(N-3)]d和B_min＝4d代入公式(1)中，其中d为单个微透镜的直径，得到：

L_j＝[1,2,3,4,……,(N-1)/2] (2)

由公式(2)可知，序号为偶数的PIC上原始离散的采样距离变为连续的整数，则可以实现在最大频谱范围内，包含零频率在内的所有基频的连续整数倍均匀采样，其中零频率信息由PIC上独立透镜a采集；同样，序号为奇数的PIC 干涉条纹频谱采样类似，由于配对方式和基线长度与序号为偶数的PIC完全相同，实际上序号为奇数的PIC和序号为偶数的PIC在各自的方向上空间采样频谱都相同，都为基频的连续整数倍。

因此，通过上述的步骤一和步骤二，原始离散的采样距离变为连续的整数，实现包含零频率在内的所有基频的连续整数倍均匀采样，得到重建后的空间采样频谱。最终将离散空间采样频谱重建后，空间频谱分布为一系列连续的同心圆环。

此外，本发明还提供一种密集方位采样分块式平面光电成像系统的实例，针对500km轨道高度、工作波长800nm、角分辨率1.2”(星下点分辨率优于3m)， 1.5°视场的典型应用需求，按照密集方位采样分块平面系统结构设计：干涉臂数量为74，系统角分辨率R_min由系统的最高空间采样频率μ_max决定，对应着最长基线B_max和最短的波长λ_min：

为满足分辨率R_min＝1.2”，则系统最长基线应满足B_max≥137.58mm，取B_max＝138mm。取单根波导视场FOV_sin _gle＝0.1°，对于包含M根波导阵列的成像系统，要获得1.5°视场，则每个微透镜对应15×15的光波导阵列。系统的奈奎斯特采样间隔与视场FOV_sin _gle有关，Δu＝1/FOV_sin _gle，则Δu＝0.58cycles/mrad。得到成像系统的参数设计如表1所示

表1：密集方位采样分块式平面光电成像系统设计参数

通过与传统SPIDER系统对比，考虑理想成像、空间频率分布、采样后实际图像和客观评价指标PSNR以及MSE值，通过仿真的方式进一步验证本发明的密集方位采样成像系统优化性能。仿真过程中将视场限制在512×512像元靶标大小，选择分辨率板作为仿真的目标图像，输入靶标如图2(a)所示。根据表 1中的参数对目标图像进行MATLAB仿真，过程遵循：透镜阵列收集物面光信息，将光信息耦合进光波导阵列后利用光栅分光，通过相位延迟器后，经信号处理子系统，将光信号转化为电流分量，傅里叶逆变换后，得到恢复图像。当空间采样频谱覆盖整个探测平面，输入靶标分别经过传统SPIDER系统和密集方位采样成像系统傅里叶逆变换后恢复的理想图像如图2(b)、图2(c)所示。

与输入靶标相比较，经传统的SPIDER系统恢复的理想图像存在明显的伪影，而经密集方位采样成像系统恢复的理想图像几乎没有伪影。接下来，采用以常用的图像像素统计为基础的PSNR和MSE的方法对两系统理想成像结果进行客观评价。传统SPIDER系统和密集方位采样成像系统的PSNR值分别为： 23.6927dB、44.9359dB ，MSE值分别为：0.0043、0.00003。PSNR数值越大表示图像失真越小，MSE的值越小，表明图像质量越好。很明显密集方位采样成像系统可以有效改善理想图像伪影，提升理想图像PSNR上限。

基于首尾配对的基线匹配方式和传统的干涉条纹采样模式，传统的SPIDER 系统和密集方位采样成像系统的空间频率覆盖分别如图3(a)、图3(b)所示，两系统的有效空间采样半径分别为171.3和170，由图中明显可以看出，密集方位采样成像系统方位采样PIC数量为传统SPIDER系统的两倍，但径向采样较为稀疏；经图3(a)、图3(b)所示的空间频率采样矩阵采样后，傅里叶逆变换恢复的实际图像分别如图3(d)、图3(e)所示，两系统的PSNR和MSE得到的实际图像的客观评价值如表2所示，分别为11.7280dB、8.3081dB和0.0672、0.1476，由于两系统的径向采样间距是离散的，因此空间频率分布是一系列离散的同心圆环，不均匀的采样导致傅里叶逆变换后产生旁瓣，采样后恢复的实际图像包含很多噪声，图像清晰度低，与理想图像相差甚远；尽管密集方位采样成像系统可以弱化理想图像伪影，提高PSNR上限值，但是单个PIC上微透镜数量的减少，使径向采样间距更为离散，采用传统采样模式后恢复的实际图像边缘模糊，几乎是完全被噪声完全淹没的一幅“脏图”。

针对密集方位采样二维透镜阵列结构，本发明设计的重建离散空间采样频谱可以实现采样距离为L_j＝[0，1,2,3,4……,(N-1)/2],(N＝69)的连续均匀采样(其中L＝0表示独立透镜a采集的中心零频率间距)，最长的采样距离L＝34。图3(c) 为重建后的空间频谱覆盖图，有效采样半径R＝34，与理论相符，重建后的空间频率分布半径小于传统干涉采样模式半径的1/4，在保持最长基线不变，系统的分辨率相同的条件下，低频采样速率几乎翻倍，有效的提升了图像质量。采样后恢复的实际图像如图3(f)所示，几乎没有伪影，噪声有效降低，图像边缘清晰，其PSNR和MSE值分别为23.8078dB和0.0042，客观评价显示密集方位采样后的实际图像与传统SPIDER系统理想成像结果相当，成像效果良好。仿真结果证实增加密集方位采样可以弱化理想图像伪影；在保证系统分辨率不变情况下，对空间频率采样矩阵重建减小有效采样半径，可以优化采样后实际图像质量。

表2：传统SPIDER系统和密集方位采样成像系统的实际图像的客观评价值比较

通过仿真再次证明本发明具有以下有益效果:

(1)相对于传统SPIDER系统，本发明的密集方位采样分块式平面光电成像系统在总的微透镜数量不变，基线配对数量相同，不增加额外功耗的情况下，可以弱化理想图像伪影，提高PSNR上限；

(2)本发明在保证系统分辨率不变的情况下，以基频为中间转换频率，对空间频率采样矩阵重建，减小有效采样半径可以优化采样后实际图像质量， PSNR和MSE值与传统SPIDER系统理想成像结果相当；

(3)本发明在保证系统分辨率相同的情况下，缩短空间采样点间距，减小有效空间采样半径，可以实现实际图像噪声弱化、对比度增强、总的结构轮廓更加清晰。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，其特征在于，包括若干个沿圆周径向均匀排列的一维干涉臂，全部所述一维干涉臂按顺序编号，每一个所述一维干涉臂包括从顶层至底层顺次分布的微透镜阵列、光子集成电路子系统、平衡正交探测器阵列和信号处理子系统；

2.根据权利要求1所述的一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，其特征在于，所述光子集成电路子系统包括光波导、阵列波导光栅、相位延迟器和耦合器；

来自目标场景的光经过所述透镜对耦合进各个所述透镜对各自对应的光波导中，经过所述光波导传输后依次经过所述阵列波导光栅、所述相位延迟器和所述耦合器后形成所述干涉条纹。

3.根据权利要求1或2所述的一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，其特征在于，所述信号处理子系统根据密集方位采样透镜阵列结构特点采用了一种离散空间采样频谱重建方式，其重建离散空间采样频谱的过程包括以下步骤：

步骤一：对于单个的一维干涉臂，计算其光子集成电路子系统上的各对微透镜采样的空间频率在频谱矩阵中相对于基频到中心零频率之间距离的采样距离，采样距离的计算公式为：

其中，B_j为光子集成电路子系统上第j个基线的长度，j＝[1,2,……,(N-1)/2]，B_min为光子集成电路子系统上最短的基线的长度，N为单个一维干涉臂上的微透镜的总数；

步骤二：将B_j＝[4,8,12,16,……,2(N-1)]d和B_min＝4d代入公式(1)中，其中d为单个所述微透镜的直径，得到：

L_j＝[1,2,3,4,……,(N-1)/2] (2)

由公式(2)可知，原始离散的采样距离变为连续的整数，实现包含零频率在内的所有基频的连续整数倍均匀采样，得到重建后的空间采样频谱。

4.根据权利要求2所述的一种密集方位采样分块式平面光电成像系统，其特征在于，成像系统的物距为500km，一维干涉臂的数量为74，单个一维干涉臂上的微透镜的总数为69，光波导为15×15的阵列，最长基线的长度为138mm，单个微透镜的直径为1mm，单个微透镜的焦距为9mm，奈奎斯特采样间隔为0.58cycles/mrad。